高应力硬岩卸荷非连续变形破坏机理与模拟方法研究

With an integration of experimental, theoretical and numerical methods, the fracturing process of deep seated hard rock under unloading conditions in large scale engineering in China is studied. A series of biaxial and triaxial loading and unloading experiments of hard rock, Brazilian tests, acoustic emission experiments and digital image correlation experiments etc. are conducted. The non-linear evolution of initiation, propagation, coalescence, close, open and slide of crack is investigated. Based on elasto-plastic theory, fracture mechanics, damage mechanics, intelligent science, moment tensor, cellular automaton and digital image technique etc, the fracturing mechanism of hard rock under different stress states and different stress paths is disclosed. The cracking criterion and constitutive model of hard rock under unloading are developed based on the model structure and parameter coupled reconization method. A 3D discontinuous cellular automaton numerical model and the associated numerical code are developed to simulate the fracturing process of hard rock under complex stress conditions. The developed model and code can provide a tool to study the fracturing behaviour and engineering stability of hard rock under high geo-stress.

以我国大型岩石工程中的深埋硬岩为研究对象，采用实验研究、理论分析、数值模拟相结合的综合手段，通过一系列不同应力路径下硬岩双轴和三轴加卸载破裂全过程试验、巴西圆盘试验、声发射试验和数字图像相关试验等，调查硬岩在不同应力路径下从完整岩石到微裂纹萌生、扩展、贯通、闭合、张开、滑移等过程的连续-非连续变形演化规律，综合运用弹塑性力学、断裂力学、损伤力学、智能科学、矩张量、细胞自动机和数字图像技术等，揭示深部高应力状态/路径变化和卸荷速率下硬岩非连续变形破坏机理；研究考虑复杂应力状态/路径变化和卸荷速率效应的硬岩模型结构与参数耦合识别方法，建立新型硬岩卸荷起裂准则和力学模型；提出基于细胞自动机的硬岩卸荷三维非连续变形数值分析方法，开发相应的模拟系统，为高应力条件下硬岩卸荷破裂机理和工程稳定性研究提供分析工具。

高应力环境复杂应力路径下硬岩变形破坏机制与模拟方法是当前岩石力学领域研究热点，项目以我国大型岩石工程中的深埋硬岩为研究对象，采用实验研究、理论分析、数值模拟相结合的综合手段，通过一系列不同应力路径下硬岩加卸荷破裂全过程试验、巴西圆盘试验、声发射试验和数字图像相关试验等，调查硬岩在不同应力路径下微裂纹萌生、扩展、贯通等过程的连续-非连续变形演化规律，综合运用多学科交叉，提出硬岩加卸荷加卸荷破裂过程模拟的连续-非连续变形分析方法，开发相应的模拟系统，为高应力条件下硬岩加卸荷破裂机理和工程稳定性研究提供分析工具。主要成果如下：（1）基于裂纹体应变的高应力硬岩加、卸荷破坏机制研究，表明岩样在卸荷破坏的过程中，围压的降低增加了原生裂隙的可闭合程度，裂纹体应变瞬间降低，在裂纹体应变-轴向应变曲线上表现为斜率发生突变。在卸荷的过程中，宏观裂纹的出现较卸荷点存在一定的滞后性。（2）基于数字图像相关方法和声发射技术，揭示了高应力硬岩I型和II型断裂特征，结果表明在II型加载条件下，岩石的断裂类型为I型或I-II型复合破坏，而不是II型破坏。（3）建立了基于等效塑性应变的硬岩开裂准则，为描述硬岩加卸荷连续-非连续变形破裂提供判据；（4）提出了硬岩破裂过程的连续-非连续变形分析方法，开发了相应的软件系统，为深埋硬岩工程稳定性提供分析工具；（5）揭示了太平驿岩爆过程的能量演化规律，开展了锦屏深地实验室II期开挖过程的围岩稳定性分析。.在课题资助下，发表论文21篇，其中SCI检索10篇，EI检索9篇，授权发明专利1项，实用新型2项，计算机软件著作权2项，培养硕士2名，优青1名，参加国内外学术会议5次，邀请国内外专家来访3次，获省部级自然科学一等奖1项，项目负责人获中国科学院创新促进会优秀会员和武汉市优秀青年科技工作者称号。